Transcript 第二章压力检测
过程检测仪表应用技术 第2章 压力检测 EXIT 过程检测仪表应用技术 本章内容 一、压力的概念 二、 液柱式压力计 三、弹性式压力计 四、电气式压力计 五、压力(差压)变送器 EXIT 过程检测仪表应用技术 学习目标 一、理解压力的概念 二、 了解液柱式压力计适用场合 三、掌握弹簧管压力表选用、与安装 四、掌握电气式压力计选用 五、能完成EJA压力(差压)变送器安装、校验 EXIT 过程检测仪表应用技术 一、压力的概念 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。 F p S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa） 1Pa 1 N m2 1MPa 1106 Pa EXIT 过程检测仪表应用技术 在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 大气压：是地球表面上的空气质 量所产生的压力。 p表 绝对压力：相对0压力（绝对真 空）所测的压力 P绝 大气压力线 P真 P绝 表压：绝对压力与当地大气压之差。 绝对压力的零线 绝对压力、表压、负压 （真空度）的关系 p表压 p绝对压力 p大气压力 当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。 p真空度 p大气压力 p绝对压力 EXIT 过程检测仪表应用技术 二、液柱式压力计 它根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱 高度进行测量。 按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点 缺点 这类压力计结构简单、使用方便. 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视 差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测 量较低压力、真空度或压力差。 EXIT 过程检测仪表应用技术 1.U型管压力计 EXIT 过程检测仪表应用技术 液柱式压力计的原理 原理：利用液柱所产生的 压力与被测压力平衡。 封液： 水、酒精、水银 特点：结构简单，物理本质清晰。 p1 − p2 = ρgh EXIT 过程检测仪表应用技术 2.单管压力计 p1 − p2 = ρgh EXIT 过程检测仪表应用技术 3.斜管压力计 p1 − p2 = ρglsinα EXIT 过程检测仪表应用技术 （2）毛细现象造成的影响； （3）安装、读数、刻度等方面 的误差。 毛细现象使封液表面形成弯月 面，不仅引起读数误差，还会 引起液柱的升高或降低。通过 加大管径来解决。 酒精：D>=3mm； 水银：D>=8mm 水银 EXIT 水 过程检测仪表应用技术 三、弹性式压力计 定义 优点 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件， 在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后 产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢 固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的 精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内 的压力。 EXIT 过程检测仪表应用技术 1.弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不 同时，所用的弹性元件也不一样。 弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元 件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。 EXIT 过程检测仪表应用技术 2.弹簧管压力表 分 类 使用的测压元件 管压力表。 单圈弹簧管压力表与多圈弹簧 用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力 表、禁油的氧气压力表等。 1—弹簧管；2 —拉杆；3 —扇形 齿轮；4 —中心齿轮；5 —指针； 6 —面板；7 —游丝；8 —调整螺 丝；9 —接头 弹簧压力表 EXIT 过程检测仪表应用技术 扇形齿轮 游丝 弹簧管 中心齿轮 拉杆 零点限位 满度 调节 EXIT 过程检测仪表应用技术 弹簧管1是测量元件，是一根 弯成270°的椭圆截面的空心 金属管。管子的自由端B封闭， 另一端固定在接头9上。 工作过程:当通入压力p后， 椭圆形截面在p作用下将趋 于圆形，使自由端B产生位 移，且与p的大小成正比(具 有线性刻度)。 p EXIT 过程检测仪表应用技术 放大过程: 自由端B的位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转; 指针5通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转，在面 板6的刻度标尺上显示出被测压 力p的数值。 游丝7用来克服因扇形齿轮与 中心齿轮间的传动间隙而产生 的仪表变差。 改变调整螺钉8的位置，可调 整仪表的量程。 EXIT p 过程检测仪表应用技术 弹簧管压力表 刻度依据是基本误差 200格 0.02MPa/格 精度等级0.4 量程4MPa EXIT 过程检测仪表应用技术 当P≥19.6MPa时，选用合金钢或不锈钢的材料。 当P<19.6MPa时，选用磷青铜或黄铜的材料。 所测流体种类不同，所用弹簧管材料不同。 弹簧管压力表的型号命名： EXIT 过程检测仪表应用技术 3.压力计的选用 压力计的选用 应根据工艺生产过程对压力测量的 要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体 的分析， 一般考虑以下几个问题。 仪表类型的选用 仪表测量范围的确定 仪表精度级的选取 EXIT 过程检测仪表应用技术 例 3 某 台 往 复 式 压 缩 机 的 出 口 压 力 范 围 为 25 ～ 28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察， 并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、 精度与测量范围。 解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选 择仪表的上限值为 p1 pmax 2 28 2 56MPa 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附 录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为 0～60MPa。 EXIT 过程检测仪表应用技术 由于 25 1 ，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3， 60 3 这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误 差为 1 100 % 1.67 % 60 所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。 至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力 表，测量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。 EXIT 过程检测仪表应用技术 4.弹簧管压力表的校验 (1)落零法判断—零位调整 当弹簧管压力表未输入被测压力时， 其指针应对准表盘零位刻度线，否则， 可用特制的取针器将指针取下对准零位 刻度线，重新固定。对有零位限制钉的 表，一般要升压在第一个有数字的刻度 线处取、装指针，以进行零位调整。 EXIT 过程检测仪表应用技术 (2)互换法判断— 量程调整 • 如果压力表的零点已 调准，当测量上限值时其 示值超差，则应进行量程 调整。其做法是调整扇形 齿轮与拉杆的连接位置， 通过改变左图中OB的长短， 即可调整量程。通常要结 合零位调整反复数次才能 达到要求。 1—弹簧管; 2—拉杆; 3—扇形齿轮;4—中心齿轮; EXIT 过程检测仪表应用技术 在实训过程中，通过电动压力检定台的使用，对弹簧管压 力表进行校验。 EXIT 四、 电气式压力传感器 过程检测仪表应用技术 (1)霍尔片式压力传感器 UH 将霍尔式置于磁场B中，通一电流I， 载流子（自由电子）在在磁场作用 （洛伦兹力）下，运动轨迹发生偏 离，在两个侧面形成积累，产生电 I 势——霍尔电势UH。 B I U H RH BI 半导体 UH RH：霍尔系数 磁极 磁极 一般I=3～20mA，B为零点几T（特斯 拉）， UH约为几十mV。 将霍尔片式粘接在弹簧管的自由端，压力 P增大，霍尔片在磁极下产生位移，“等 效磁场B”发生变化，霍尔电势UH就变化。 即霍尔电势UH随压力变化。 EXIT P 弹簧管 过程检测仪表应用技术 (2) 电阻式检测元件 电阻应变片 湿敏电阻 热电阻 气敏电阻 位移 压力 形变 力温度 压力 加速度 温度 湿度 气体组成、含量 EXIT l R 过程检测仪表应用技术 l A R 1 l A A R 电阻应变片 F l r F A r 2 A 2 r r A 2 r r r 2 2 2 A r r r 2l V r 2l C 2r r l r 2 l 0 r 1 l r 2 l 应变效应 R l (1 2 ) R l K r l r l R / R / (1 2 ) l / l l / l 对大多数金属， =0.3~0.5 应变灵敏系数 几何尺寸效应 3 金属 压阻效应 EXIT 半导体 过程检测仪表应用技术 金属应变片 丝式 箔式 引线 敏感 栅 黏结 剂 半导体应变片 体型 —— 高灵敏度 薄膜型 扩散型 EXIT 过程检测仪表应用技术 主要特性 灵敏系数 R / R K l / l 绝缘电阻 应变计的敏感栅和引线与被测件之间的电阻 零漂和蠕变 零漂：不承受机械应变时，指示应变值随时间变化 蠕变：承受恒定的应变时，指示应变值随时间变化 允许电流 应变片不因电流放热而影响测量所允许的最大电流 应变极限 应变极限 真实应变 — 指示应变 真实应变 lim 100% 10% 时的最大真实应变 EXIT 电阻丝 覆盖层过程检测仪表应用技术 例:应变片压力传感器 金属电阻 应变片的工作原理 金属或半导体电阻 应变片在 外力的作用下产生微小的机械 变形——应变，而导致电阻发 生变化。 受力变形后 Ｌ 基片 引出线 受拉 R / R K 受力 L / L K——应变片的灵敏度 ε——长度应变值 受压 EXIT 悬臂梁 过程检测仪表应用技术 测量电桥 UO R3 R1R4 R2 R3 R1 E E E R1 R2 R3 R4 ( R1 R2 )(R3 R4 ) 平衡条件 R1 R2 R1 R2 R3 R4 UO 接成全桥时 UO (R1 R1 )(R4 R4 ) (R2 R2 )(R3 R3 ) E (R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 ) UO R3 略去两个“△”的积△； E R △R<<R R R R ( ) R / R K 4 R R R R 1 1 4 4 3 2 2 R4 3 KE UO ( 1 4 2 3 ) 4 E 必须接成差动方式 即R1、R4受拉；R2、R3受压； 或R1、R4受压；R2、R3受拉 设 1 2 3 4 则 U O KE EXIT 过程检测仪表应用技术 （3）压阻式力传感器 将4个半导体应变片“集成”在一起，灵敏度很高（是金属 应变片的500～1000倍），工作可靠、精度高。 （4）压电传感器 原理：压电效应。打火机、电子炉盘的点火机构 压传感器等效为一个具有电容的电荷源。 力 + Ca U q U q Ca +++ 压电材料 EXIT 输出 力 过程检测仪表应用技术 Cf + 电荷放大器 + q - Ca △ - - + ∞ + UO q Cf UO “虚地” （5）电容传感器 C A r 0 A d d ε——极板之间介质的介电常数 εr——极板之间介质的相对介电常数 ε0——真空的的介电常数，8.854188pF/m EXIT A ε d 过程检测仪表应用技术 (5) 电容式检测元件 位移 振动 角位移 加速度 压力 EXIT 差压 物位 过程检测仪表应用技术 变极距式 位移检测灵敏度 A C C' d d A C C - C ' Kc d d d d d d A 1 C 差动式电容！！！ 那该怎么办？ 怎样才能消除温度 慢着，温度变化是 这种元件有 d d d 测位移呗！ d 的影响呢。。。 否会影响读数呢？ 什么用呢？ C C C1 d d C2 C C 2 - C1 C - C1 C 2 - C 2C Kc d d d d d 灵敏度 环境影响 EXIT 过程检测仪表应用技术 变面积式 C Kc A A d d A 理论上，输入输出关系是线性的。 线性 变介电常数式 A C A d Kc d 可用来测水位、物位、介质厚度等 介质导电时，极板表面应涂绝缘层 EXIT 过程检测仪表应用技术 四、压力(差压)变送器 接液膜片 膜盒体 冲灌液 感应膜片 固定电极 可动电极 固定电极 C1 1.电容式传感器 初始间距 D D S 电容 C1 = D-d C1 - C2 d 计算公式 c = = C1 + C2 D 位移 d 电容 C2 = ( 感应膜片位移最大值 mm (100 μm) 微小位移就能导致误差 1 μm形变= 1% 误差 EXIT C2 电极位移 初始间距 S D+d ) 过程检测仪表应用技术 2.单晶硅谐振式传感器 硅片 传感器 EXIT 过程检测仪表应用技术 单晶硅谐振式传感器工作过程 Si片 Si H 型谐振传感器 磁场 频率输出 永久磁铁 电磁力方向 激励电路 EXIT 过程检测仪表应用技术 3.EJA智能差压变送器 (1)采用单晶硅谐振式传感器 4～20mA--BRAIN 。 电源：24V.DC 软件特征 用智能终端 实现仪表位号、零点和量程调整。 EXIT 过程检测仪表应用技术 (2)BT200智能终端 打印机打印输出 BT200 LCD大屏幕显示 5节常规电池 21个字符 ×8行 F1 F2 F3 F4 BT200在关电源的情 况下和变送器接线 ENTER 单线通讯 无需配电器 YOKOGAW A EXIT 过程检测仪表应用技术 菜单介绍 HOME 菜单 BT200 显示屏 A: DISPLAY MENU A: B: 查看一般信息 DISPLAY SENSOR B: SENSOR 校准和设置前查看 Home SET ADJ ESC Soft Keys (F1 - F4) 其它菜单 F1 F2 F3 F4 EXIT 过程检测仪表应用技术 BT200 显示屏 F2 设置 MENU C: D: E: H: SETTING AUX SET 1 AUX SET 2 AUTO SET C: 设置 变送器基本设置 D: 附加设置 1 用户应用参数 E: 附加设置 2 Home SET ADJ 双向流量flow ESC H: 自动设置 F1 F2 F3 F4 利用当前压力快速设置 EXIT 过程检测仪表应用技术 BT200 显示屏 F3 调整 允许访问最终菜单 MENU J: K: M: P: ADJUST TEST MEMO RECORD J: 调整 自动零点调整 手动调整 Home SET ADJ ESC F1 F2 F3 F4 信息 和 记录 EXIT 过程检测仪表应用技术 关 键 参 数 设 置 C10设置位号 C20设置差压单位 C21设置测量范围下限值 C22设置测量范围上限值 C40输出指示计显示方式 C60自诊信息 J10: 自动零点调整 J11:手动调整 K:test(模拟输出) EXIT 过程检测仪表应用技术 智能差压变送器安装与调校操作流程 熟悉环境、准备工具 安装变送器支架、变送器、 模拟变送器投运操作 安装数显表接通电源，进行参数设 定、测试变送器供电电源 测试连接导线的绝缘性能并进行数 显表和智能变送器的连接 清理现场，书写报告 断电拆卸连接线路，进行拆卸前的三 阀组操作和模拟卸压，拆卸变送器 用TEST的方法将使变送器的输出分别 为0％、25％、50％、75％、100％， 读取并记录各点的电流值和数显表的 显示值 根据参数表设置变送器的基本参数和各 项性能指标 通电观察变送器显示值，将手持式智能 终端连接到变送器并进行通讯测试 EXIT 过程检测仪表应用技术 4.其他差压变送器(美.罗斯蒙特) HART（Highway Addressable Romote Transducer）: 多路可寻址远程传感器。 1 0 1.2KHz 2.2KHz 叠加在信号上,平均值为0 EXIT 过程检测仪表应用技术 扩散硅式差压变送器(美.霍尼韦尔ST3000) 压阻式力传感器 压差 (压力) 净压 温度 ROM 多 路 开 关 A/D PROM RAM EEPROM CPU D/A V/I 4～20mA I/O 现场通讯器 ROM：固化程序，通用程序 PROM：“个性”程序，每台的参数可能有所不同 RAM：用于计算 EPROM：用于掉电保护、修改量程、报警信息等 EXIT 过程检测仪表应用技术 小结 本单元应掌握: 1. 压力单位换算； 2.液柱式压力计适用场合； 3.弹簧管压力表选用； 4.电气式压力计适用场合; 5.压力(差压)变送器安装、调校。 EXIT